EXPOCIENCIAS NACIONAL 2016 Parque Tabasco Dora María Diseño de un dron de riego agrícola Nombre del autor(es): Belsay de Jesús López Morales José Juan Mingo Rubio José Carlos Velasco Álvarez Área: Mecatrónica Categoría: Superior 7 y 9 semestre, Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez Chiapas Nombre del(a) asesor(a): Francisco Ronay López Estrada Villahermosa, Tabasco, a 7 de diciembre de 2016.
Diseño de un dron de riego agrícola López, B. 1 Mingo, J. 2 Velasco, J. 3 López, F. 4 Resumen Los agricultores de hoy en día tienen que lidiar con problemas cada vez más complejos. La agricultura de precisión divide un campo en zonas que se pueden gestionar individualmente con una gama de maquinaria de precisión equipada con GPS. La tecnología permite a los agricultores recopilar, almacenar, combinar y analizar las capas de datos que impulsan el manejo preciso de nutrientes y riego. Este proyecto presenta una alternativa para los agricultores, ya que podrán controlar de manera precisa la hidratación de sus sembradíos, este dron está equipado con un tanque de agua y una bomba hidráulica como sistema de riego. Abstract Today s farmers have to deal with increasingly complex concerns. Precision agriculture divides a field into zones that can be individually managed with a range of GPSequipped precision machinery. Technology enables farmers to collect, store, combine and analyze the layers of data that drive precision nutrient and irrigation management. This project presents an alternative for farmers, since they can control the hydration of their fields precisely, this unmanned aerial vehicle (UAV) is equipped with a water tank and a hydraulic pump as an irrigation system. Índice 1. Introducción 2 2. Planteamiento del 2 problema Autores: 1. Belsay de Jesús López Morales. Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, Carretera Panamericana km 1080, Tuxtla Gutiérrez, Chis. Mex. Tel. Cel.: 961 278 6151. bjlm25@hotmail.com. 2. José Juan Mingo Rubio. Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, Carretera Panamericana km 1080, Tuxtla Gutiérrez, Chis. Mex. Tel. Cel.: 961 102 6718. jose_mingor@hotmail.com. 3. José Carlos Velasco Álvarez. Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, Carretera Panamericana km 1080, Tuxtla Gutiérrez, Chis. Mex. Tel. Cel.: 961 240 2430. pan-th-e@outlook.com. Asesor: 4. Francisco Ronay López Estrada. Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez, Carretera Panamericana km 1080, Tuxtla Gutiérrez, Chis. Mex. Tel. Cel.: 961 257 78 27. frlopez@ittg.edu.mx. 1 3. Objetivos 2 4. Hipótesis 2 5. Marco Teórico 3 5.1. Especificaciones del proyecto 3 5.2. Sistema de control 4 5.3. Sistema de navegación 4 5.4. Sistema de riego 4 5.5. Agricultura de precisión 4 6. Diseño Metodológico 5 7. Conclusiones 5 8. Bibliografía 6 9. Anexos 6
1. Introducción Las aplicaciones en el ámbito civil son muy abundantes ya que van desde simple recreación, hasta visión y rescate en zonas de desastres naturales y periodismo, además de que en los últimos años la visión se ha ampliado aún más hacia la agricultura ya que la forma de maniobrar estos vehículos es cada vez más sencilla debido a distintos mecanismos de predicción atmosférica que hacen que el vuelo sea más controlable (Alexis et al. (2011)). 2. Planteamiento del problema Cada vez más los UAV s están siendo utilizados con fines agrícolas. De acuerdo a la Asociación Internacional de Sistemas de Vehículos No Tripulados, se espera que en un futuro próximo la mayor parte del mercado comercial para los mismos sea con propósito agrícola. Con los UAV s, el monitoreo de cultivos, y por ende la prevención de plagas y enfermedades, se hace mucho más fácil. Al productor se le hará más fácil ajustar sus tasas de fertilizantes, plaguicidas y herbicidas a las diferentes necesidades de su campo productivo. 3. Objetivos Objetivo general: - Diseñar un dron de riego para aplicaciones de agricultura de precisión. Objetivos específicos: - Diseño de un dron con capacidad de levantar 20kg de peso. - Puesta en marcha del sistema de navegación autónoma. - Diseñar el sistema mecánico para cargar un tanque de líquido de al menos 10 litros. - Diseñar un sistema de riego mediante aspersores y una bomba acoplada al tanque de agua. - Realizar pruebas en campo abierto para ajustar el sistema de riego. 4. Hipótesis Con el desarrollo del Dron para sistema de riego se pretende que este pueda ser controlado a través de un control remoto y de forma automática a través de un sistema de mapeo con un dispositivo GPS el cual se programe 2
para una determinada trayectoria y que nuestro dron contendrá un tanque de una capacidad de 20 o 40 litros, depende de la extensión del cultivo, para efectuar el riego de agua en plantaciones de manera uniforme, el dron tendrá una duración de trabajo de aproximadamente 30 minutos con una altura controlada en base a la altura de la plantación, también podrá ser utilizado no solo para riego sino para fertilización y polinización de cultivos. 5. Marco teórico En este apartado se hablará sobre los temas a destacar en el proyecto, como lo son el sistema de control, el sistema de navegación y el sistema de riego, así como también algunas especificaciones del mismo. 5.1. Especificaciones del proyecto Estructura La estructura del prototipo consta de cuatro brazos (tubos) de fibra de carbono que están sujetos a dos placas de plástico chapado de aluminio en forma octagonal, los brazos sostienen a los motores que impulsan el quadrotor; también cuenta con un tren de aterrizaje de fibra de carbono que está sujeto a las estructuras octagonales. Motores El prototipo cuenta con cuatro motores brushless de 135Kv y soporta un máximo de 16.3 A y un máximo de 407 W, cabe mencionar que estos motores pueden funcionar con baterías LiPo de 6-12 celdas. Alimentación El sistema de energía consta de dos baterías LiPo, una que se usa para la alimentación central del quadrotor, es decir ESC, tarjeta de vuelo, motores y luces led para detectar el frente del dron; la batería secundaria se emplea para el pliegue y despliegue del tren de aterrizaje (este puede estar deshabilitado) y para emplear el FPV (punto de vista en primera persona, por sus siglas en ingles). Tarjeta de vuelo Para el control de vuelo del dron se tiene la tarjeta NAZA Multi Rotor V2 de DJI Innovations, ésta es de hardware y software libre con una guía bastante simple, tiene incluido un GPS Compass para facilitar la navegación autónoma. 3
Tanque El tanque es un prototipo creado en el software SolidWorks 2015 e impreso en una impresora 3D de la marca LULZBOT Mini en un material llamado ácido poliláctico o PLA por sus siglas en inglés, éste tiene una capacidad de 4.56 L y un grosor de 6mm. Mini bomba hidráulica La bomba que se usará en el proyecto es de la marca Singflo modelo FLO2202A 4.0 lmp 80 PSI, ésta es una bomba de diafragma estándar de agua a 12 VDC, con aspersores de riego de partículas y será utilizada sólo en este prototipo, ya que se busca que el riego sea de fertilizante, herbicidas, entre otros. 5.2. Sistema de control El vehículo está equipado con una tarjeta de vuelo de la marca NAZA Multirotor V2 con modos de vuelo: GPS, Altitud o Manual (control remoto), equipada también con una unidad de medición inercial, que incluye acelerómetro, giroscopio y compass (brújula) que ayudan a controlar el vuelo del vehículo, así mismo, viene programada con un controlador PID para mayor estabilidad. 5.3. Sistema de navegación La tarjeta de vuelo, como ya se mencionó anteriormente, viene equipada con un módulo GPS que nos brinda autonomía en el vuelo, pudiendo así programar una trayectoria a seguir como por ejemplo un espacio de terreno para regar. 5.4. Sistema de riego El sistema de riego está constituido por el tanque de agua, la bomba hidráulica y sus aspersores de riego de partículas, éste será activado desde el control remoto gracias a un circuito eliminador de batería que actuará como etapa de potencia, esto para poder utilizar la misma batería en todo el sistema. 5.5. Agricultura de precisión Una de las tecnologías que es promisoria para el mejoramiento del sector productivo a nivel predial es la agricultura de precisión. Esta herramienta asociada a las tecnologías de la información y basada en el posicionamiento satelital, consiste en obtener datos georreferenciados de los predios para un mejor conocimiento sobre su variabilidad espacial a nivel de 4
rendimiento y calidad. En general los sitios pueden presentar distintos tipos de variabilidad, dados por: topográfica, génesis de suelo, distinto tipo de manejo, etc. Mientras mayor sean los diferenciales de rendimiento existente en un sitio, mayor será el éxito de obtener resultados con una estrategia de aplicación variable de recursos (agua, fertilizantes, semillas, agroquímicos, etc). (Manual de agricultura de precisión / IICA, PROCISUR - Montevideo: IICA, 2014) 6. Diseño metodológico Nuestro proyecto de diseño de un dron para riego agrícola es del tipo desarrollo, debido a que principalmente se hará el estudio de la cantidad de agua que necesita un cultivo para ser totalmente regado, se utilizará experimentación para probar nuestro prototipo de tanque a campo abierto y se harán tablas de desempeño para tomar en cuenta el tiempo de duración de nuestra batería contra la cantidad de terreno que se pudo regar de manera eficiente, este proceso se tendrá que efectuar tanto a control remoto como también a través de nuestro sistema GPS automático parar ver que desempeño tiene cada uno, el tiempo de recarga de la batería también se tendrá que tomar en cuenta así como el dispositivo para cargar la misma. Una vez que el sistema nos muestre buenos desempeños en campos pequeños, se procederá a incrementar el tamaño del tanque utilizado para su posterior experimentación en campos mucho más amplios y de cultivos muchos más grandes. 7. Conclusiones Este prototipo podrá ayudar mucho a los trabajadores del campo, ya que podrán tener un control adecuado de la hidratación, fertilización y de plagas en sus sembradíos gracias al sistema de control de vuelo autónomo y también al sistema de riego que se propone en este proyecto. Las nuevas tecnologías podrán ser añadidas como lo son los sensores infrarrojos o espectrales para monitorizar los cultivos, aplicando los conocimientos sobre agricultura de precisión para que los agricultores puedan mejorar su siembra y cultivo sin la necesidad de afectar a su economía. 5
8. Bibliografía Alexis, K. G. (2011). Switching model predictive attitude control for a quadrotor helicopter subject to atmospheric disturbances. Control Engineering Practice 19, 1195 1207. IICA, P. (2014). Manual de agricultura de precisión. Montevideo: IICA. Naza M V2 Quick Start Guide V1.26. (s.f.). Obtenido de http://dl.djicdn.com/downloads/naza m-v2/en/naza- M_Quick_Start_Guide_v1.26_en.pdf Estructura del tanque. Suraj, G. &. (2013). Review of Unmanned Aircraft System (UAS). International Journal of Advanced Research in Computer Engineering & Technology (IJARCET), 1646-1658. Thom McKinnon, P. (2016). Agricultural drones: What farmers need to know. Agribotix, 9. 9. Anexos Diseño del tanque y especificaciones. Fotografías del sistema de riego montado al dron. PROTOTIPO DE TANQUE Material PLA Capacidad (L) 4.56 Espesor (mm) 6 6
7